CADI磨球材料的研究及磨球的研制

摘要

磨球作为研磨体被广泛应用于矿山、建材、化工等行业，全国每年磨球消耗量已经超过了260万吨，但是由于服役工况不断变化，磨球迫切需要提升性能、降低成本。含碳化物等温淬火球墨铸铁（CADI）由于综合性能优势突出，在磨球应用上具有广阔前景。
　　本文结合磨球工况和CADI组织及性能特点，优化CADI磨球材料的成分和热处理工艺。采用OM、SEM、XRD等设备，研究了锰、钼元素和等温淬火温度对CADI磨球材料组织、性能的作用，并试制了CADI磨球。
　　研制结果表明，CADI磨球材料铸态组织由石墨球、珠光体、碳化物组成，球化等级2~3级，石墨尺寸6~7级，随着锰、钼含量增加，石墨球数量有所下降，珠光体、碳化物数量增加。等温淬火后组织由石墨球、针状铁素体、一定数量的碳化物和残余奥氏体组成，随着锰、钼含量增加，碳化物、针状铁素体数量增多，并且钼能够细化针状铁素体。Mn主要以碳化物（Fe，Mn）3C形式存在，Mo主要以（Cr2.5Fe4.3Mo0.1）7C3和（Fe2Mo）3C形式存在。
　　钼含量不变，随着锰含量升高，CADI磨球材料冲击韧性逐渐降低；硬度增强，磨损率降低，耐磨性提高，磨损形貌中犁沟减少，划痕变浅，脱落减少；腐蚀电位增大，腐蚀电流密度减小，耐蚀性增强。锰含量1.93wt.％时，试样综合性能优越，冲击韧度值9.7 J·cm-2，硬度值53.6HRC，磨损率0.151 mg·m-1，腐蚀电位-0.6497 V，腐蚀电流密度6.262×10-6 A·cm-2。
　　锰含量不变，随着钼含量增加，CADI磨球材料冲击韧性先升高后降低；硬度增强，耐磨性提高；耐蚀性增强。钼含量0.43wt.%时，试样综合性能优越，冲击韧度值16.4 J·cm-2，硬度值53.4HRC，磨损率0.221 mg·m-1，腐蚀电位-0.6016V，腐蚀电流密度7.359×10-8 A·cm-2。
　　等温淬火温度升高，2#（Mn1.93wt.%，Mo0.29 wt.%）试样的残余奥氏体数目增多，针状铁素体形貌由细小致密的针叶状变疏变粗，此外，性能上表现为冲击韧性逐渐升高，硬度下降，耐磨性下降，耐蚀性增强。等温淬火温度260℃时，试样中少量的马氏体已经消失，冲击韧度值8.8 J·cm-2，硬度值54.7HRC，磨损率0.150 mg·m-1，腐蚀电位-0.6491 V，腐蚀电流密度8.376×10-6 A·cm-2，表现出优越的性能。冲击断口形貌观察结果呈现出韧窝、解理台阶和河流状花样等准解理特征，随着等温淬火温度升高，解理面数目减少，韧窝数目增多，尺寸变小。
　　根据本试验结果试制的CADI磨球化学成分为C3.3~3.8 wt.%，Si2.2~2.7 wt.%，Mn15~2.0 wt.%，Cr0.8~1.2 wt.%，Cu0.4~0.8 wt.%，Mo0.2~0.5 wt.%。热处理工艺根据磨球尺寸制定：奥氏体化温度900℃，保温时间1~2.5h，等温淬火介质50%KNO3+25%NaNO3+25%NaNO2混合硝酸盐，等温淬火温度250℃±20℃，保温时间1.5~3h。试制的Φ120mmCADI磨球组织为下贝氏体+残余奥氏体+碳化物（10~15%），表面硬度值≥56HRC，表面向内连续三点硬度平均值≥53HRC，冲击韧度≥7J/cm2，球耗≤220g/t矿石，破碎率≤0.1%，冲击疲劳寿命≥10000次，满足工况要求。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 磨球的研究及发展现状

1.3 CADI磨球的研究及发展现状

1.4 选题背景及意义

1.5 课题的研究目标

1.6 课题的研究内容

1.7 技术路线

2 试验过程及试验方法

2.1 CADI磨球材料化学成分设计

2.2 试样制备

2.3 热处理工艺的设计

2.4 组织观察及分析

2.5 性能检测

3 锰对CADI磨球材料组织和性能的影响

3.1 化学成分分析

3.2 锰对CADI磨球材料铸态组织的影响

3.3 锰对CADI磨球材料热处理后组织的影响

3.4 锰对CADI磨球材料性能的影响

3.5 本章小结

4 钼对CADI磨球材料组织和性能的影响

4.1 化学成分分析

4.2 钼对CADI磨球材料铸态组织的影响

4.3 钼对CADI磨球材料热处理后组织的影响

4.4 钼对CADI磨球材料性能的影响

4.5 本章小结

5 等温淬火温度对CADI磨球材料组织和性能的影响

5.1 等温淬火温度对CADI磨球材料组织的影响

5.2 等温淬火温度对CADI磨球材料硬度的影响

5.3 等温淬火温度对CADI磨球材料冲击韧度的影响

5.4 等温淬火温度对CADI磨球材料耐磨性的影响

5.5 等温淬火温度对CADI磨球材料电化学腐蚀性能的影响

5.6 本章小结

6 CADI磨球试制

6.1 成分设计

6.2 造型

6.3 熔炼及浇注

6.4 开箱及清理

6.5 热处理工艺方案

6.6 CADI磨球检测

6.7 本章小结

7 主要结论

参考文献

个人简历、在校期间发表的学术论文及研究成果

致谢